滇东地区城市空气污染变化特征及其与气象条件的关系*

成佳丽, 王颢樾, 浦吉存, 田梦琳,白波, 叶正飞, 苗蓉, 张忱

(1.曲靖市气象局，云南 曲靖 655000；2.云南大学 大气科学系， 云南 昆明 650091；3.曲靖市环境监测站，云南 曲靖 655000)

1 前 言

随着现代工业生产能力的不断提升、社会经济的高速发展和城镇化进程的加快，城市风速减小、夜间逆温增强、污染物扩散范围变小，致使城市空气污染问题日益严重，城市空气质量受到社会大众的广泛关注.空气污染危害人类身体健康，影响植物生长，给城市居民生活带来严重的不利影响[1-2].徐晓斌等[3]研究表明气溶胶粒子、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)、一氧化碳(CO)及臭氧(O3)等是影响中国城市大气环境质量的最主要的几类大气污染物.近年来，国内学者针对大气污染物浓度时空分布特征及其与气象要素关系开展了大量的研究[4-19].陈镭等[9]对2013-2014年上海地区的空气质量分析发现，2014年上海空气质量总体呈好转的趋势，其中冬季空气质量较差，秋季空气质量较好.严晓瑜等[13]对银川地区6类大气污染物浓度分析表明：6类污染物普遍表现出季节性的准7 d周期和全年性的准30 d周期特征；地面天气形势对空气污染的影响较大，地面风向风速和降水对银川地区空气污染物的扩散和冲刷清洁具有显著作用.张朝能等[15]对2014年4月-2015年3月昆明市主城区PM2.5浓度分析表明:昆明市主城区PM2.5浓度季节高低为春季>冬季>秋季>夏季.环境空气中污染物浓度的时空变化特征与气象条件密切相关，风、温度、湿度、降水、大气稳定度及混合层的厚度影响着大气污染物的扩散、迁移与转变.杨德保等[16]分析兰州市区大气边界层监测试验和污染物浓度资料，结果表明不同的天气系统对空气中污染物浓度的影响是很明显的.

曲靖是位于昆明之东的高原山地城市，自古以来便是内陆地区进入云南的陆地要塞，史称“入滇锁钥”.曲靖城区全年无热感，总体人居环境气候舒适度较高[20]，先后多次被中国城市竞争力研究会评选为十佳宜居城市.然而，随着经济的发展和城镇化进程的加快，近年来曲靖主城区多次出现连续性污染天气，空气污染问题日益严重.此前针对高原山地城市空气污染问题的研究非常稀少，滇东城市曲靖空气污染问题至今无人研究，因此，本文基于2014-2018年曲靖主城区逐日空气质量指数(Air Quality Index,AQI)和6种空气污染物小时浓度监测资料，分析滇东地区城市空气环境质量状况及污染物浓度时间分布特征，探讨气象因子对污染物浓度分布的影响，从而探索高原山地城市的共性，为高原山地城市空气污染和防治提供理论依据.

2 资料与方法

2.1 资料来源

逐日AQI和6种空气污染物(SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO和O3)逐小时浓度资料来源于曲靖市环境监测站及烟厂办公区2个国控空气质量监测点的监测数据，2个监测点位置分布情况由图1所示.资料时段为2014年1月-2018年12月.

2.2 空气质量指数

空气污染物日平均浓度、月平均浓度、AQI的计算及首要污染物的确定均根据环境空气质量标准(GB3095-2012)[21]和环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)(HJ633-2012)[22]进行.日平均为01-24时的平均值.气象要素数据来源于麒麟区国家级地面气象观测站观测资料，与小时污染物浓度相对应，逐日气象要素计算采用24时作为日界.

图1 曲靖主城区空气质量监测站点及气象站点位置图

2.3 方法

利用Spearman秩相关系数法分析曲靖主城区污染物浓度与日均温和相对湿度的关系.

假设两个随机变量分别为X和Y，它们的元素个数均为N，两个随机变量取的第i(1≤i≤N)个值分别用Xi和Yi表示.对X和Y进行排序，得到两个元素排行集合x和y，其中元素xi和yi分别为Xi在X中的排行以及Yi在Y中的排行.

由排行集合x和y计算而得Spearman相关系数，公式为：

3 结果分析

3.1 空气质量评价

3.1.1 空气质量状况

图2 2014-2018年曲靖主城区AQI各等级出现日数

统计曲靖主城区不同等级AQI出现的日数(图2)，2014至2018年曲靖主城区空气质量优良率为97%～99.7%，轻度污染日数为1～11 d，未出现中度及以上污染.对比各年空气质量可知，近5年曲靖主城区轻度污染日数呈显著减少趋势，2018年仅有1 d出现污染性天气，优良率达到99.7%，空气质量明显优于2014-2017年.

图3 2014-2018年曲靖主城区不同等级AQI出现日数及优良率月平均分布

由图3可以看出，6-10月曲靖主城区空气质量为优的日数最多，其中9月空气质量为优等级的日数达23 d，居全年首位.7-9月未出现空气污染，空气质量优良率100%，轻度污染主要出现在12月至次年5月，5月和12月均出现2 d以上轻度污染天气，5月空气质量优良率最低为92%.总体而言，2014-2018年曲靖主城区空气质量基本呈夏秋季节空气质量较好、冬春季节空气质量较差的特征.

3.1.2 首要污染物分布特征

图4 2014至2018年曲靖主城区各首要污染物出现日数

图4是曲靖主城区各首要污染物出现日数分布，可以看出，PM10、PM2.5和O3是曲靖主城区首要污染物，5年间仅有6 d以NO2或CO作为首要污染物出现，而SO2未作为首要污染物出现.其中O3作为首要污染物出现日数最多，5年共出现450 d；其次为 PM10，出现306 d；PM2.5作为首要污染物出现的日数相对较少，为276 d.对比每年各首要污染物出现的日数发现，近5年，颗粒物(PM10及PM2.5)作为首要污染物日数呈下降趋势，而O3作为首要污染物日数呈先增加后减少趋势.

图5 2014至2018年曲靖主城区各首要污染物出现日数月平均分布

由曲靖主城区各首要污染物出现日数月平均分布图可见(图5)，夏秋季节出现首要污染物的日数较少，冬春季节出现首要污染物的日数较多，这与曲靖主城区空气质量基本呈夏秋季节空气质量较好、冬春季节空气质量较差的特征一致.PM10作为首要污染物主要出现在10月至次年5月，11月最多达9.8 d.PM2.5作为首要污染物主要出现在12月至次年3月，2月最多达10.2 d.O3作为首要污染物主要出现在2月至8月，5月出现日数最多，达到20.8 d.曲靖主城区轻度污染出现日数及首要污染物出现日数的月平均分布特征可能与不同季节影响曲靖的天气系统有关，冬季冷空气活动频繁，曲靖常常受静止锋影响，静稳天气特征突出，近地层易出现逆温天气，容易造成PM10和PM2.5污染；而春季多受偏西气流影响，气温较高，光照条件好，降水稀少，空气湿度小风力大，容易造成O3污染.

3.2 污染物浓度变化特征

3.2.1 污染物浓度的月变化特征

c.PM10、PM2.5 d.SO2、NO2

分析曲靖主城区各污染物浓度随季节的变化.由图6可见，CO浓度月变化呈“U”型分布，冬季CO浓度较高，春夏季CO浓度较低.O3浓度月变化分布与CO相反，呈倒“U”型分布，浓度随季节变化波动较大，春夏季浓度较高，4月浓度最高值达到153.6 μg/m3，秋冬季浓度较低.PM10和PM2.5两种颗粒物浓度季节变化趋势一致，呈单峰单谷型，均是冬春季浓度较高，在3月达到峰值，夏秋季浓度较低，在6月降至谷值.NO2浓度呈“W”型分布，冬春季浓度较高，12月达到最高值27.5 μg/m3，夏秋季浓度较低，最低值出现在6月16.3 μg/m3.SO2浓度随季节存在4峰4谷的特征，每个季节均出现1个峰值和1个谷值.

图7 2014至2018年曲靖主城区各污染物浓度及气象要素日变化特征

3.2.2 污染物浓度的日变化特征

图7为曲靖主城区6种污染物浓度及气温、风速日变化图.由图7a、7b和7d可看出，曲靖主城区CO、O3及SO2浓度日变化均表现为明显的单峰单谷型.CO及SO2浓度在上午高于下午，峰值出现在上午7～9时,谷值出现在下午16时左右，与气温及风速的日变化趋势相反.这种变化趋势与其他城市相似[13].造成这种变化特征的原因可能是随着人类活动开始，7～9时为人们集中上班出行高峰时段，机动车尾气排放量增大及燃煤燃气等人类活动使CO和SO2浓度增加，且清晨温度低对流弱，污染物不易扩散，从而造成污染物浓度在上午出现最高值；曲靖地属低纬高原，下午极易获得太阳短波辐射造成气温上升，局地热对流旺盛，伴随水平风的加强，使得CO和SO2扩散，浓度在午后降至谷值.O3浓度日变化特征恰与CO相反(图7b)，与气温及风速的日变化趋势一致，上午浓度低于下午浓度，上午8时为最低值30 μg/m3，随着气温上升O3浓度在下午16时达到峰值为80 μg/m3，之后随着温度的降低，O3浓度也随即下降.这是因为O3是光化学反应而成的产物，氮氧化物和挥发性有机污染物等O3“前体物”在高温、阳光充足的条件下生成臭氧，使得下午O3浓度显著增加.

由图7c可以看出，颗粒物(PM10和PM2.5)浓度日变化表现为双峰双谷型.颗粒物第1谷值出现在凌晨4～6时，夜间人类活动减少，颗粒物浓度随之进入低值区.早晨随着人类活动开始，机动车尾气和道路扬尘等增加，同时低层大气易出现逆温，颗粒物不易扩散致使其浓度增加，在中午前后出现低1峰值.午后温度上升，湍流增强，风力增大，颗粒物逐渐扩散，颗粒物的扩散具有“滞后性”，其中PM10浓度在15时降至第2谷值40.5 μg/m3，PM2.5浓度在18时降至最低值21.9 μg/m3.傍晚辐射减弱气温下降，湍流减弱风力减小，颗粒物浓度较难扩散，且人类活动增加，使得颗粒物浓度缓慢增加，其中PM2.5浓度在凌晨0时达到次峰值28 μg/m3；而由于下午风速超过2 m/s时吹起灰尘扬沙等颗粒物，致使PM10浓度增加速度快于PM2.5浓度，在20～22时达到次峰值50.4 μg/m3.

由图7d中NO2浓度变化线可以看出，NO2浓度日变化表现为双峰双谷型.夜间人类活动少，NO2浓度进入低值区，第1谷值出现在凌晨4～6时为15 μg/m3.早晨随着人类活动开始，7～9时人们集中上班出行高峰，机动车尾气排放量增大且扩散条件差，使得NO2浓度在上午8～9时达到第1峰值23.2 μg/m3.之后温度逐渐上升，风速显著增加，扩散条件好，使得NO2浓度在14时降至最低值12 μg/m3.14时后上班高峰机动车尾气排放量增大，NO2浓度逐渐增加，至傍晚时分辐射减弱气温下降，湍流减弱风力减小，使得NO2浓度在21时左右再次达到峰值.

3.3 气象条件对污染物浓度的影响

3.3.1 污染物浓度与风速和风向的关系

表1 2014至2018年曲靖主城区不同风速条件下各类污染物浓度

表1为研究时段曲靖主城区日平均风速和6种污染物日平均浓度的关系，由表可以看出，SO2、NO2、CO和PM2.5均与风速呈显著负相关关系，风速越大越有利于污染物的扩散，SO2、NO2、CO和PM2.5浓度值越小.风速对NO2的扩散清除作用最显著，对PM2.5的扩散清除作用最弱.O3浓度与风速呈正相关关系，风速越大O3浓度越大，风对O3无扩散清除作用反而使其浓度增加的原因尚不明确，在今后的研究中需进一步分析.PM10浓度先随风速增加而减小，当风速超过2 m/s以后，PM10浓度又随风速的增加而增加，这可能是由于风速超过2 m/s时吹起地面的沙尘等颗粒物，导致PM10浓度增加，所以风速2 m/s是PM10浓度的扩散临界值.

图8 2014至2018年曲靖主城区各污染物浓度与风向的关系

统计不同盛行风向时各污染物的浓度获得图8.由图8a、8b和8c可以看出，静风时SO2、NO2和CO浓度最大，曲靖主城区地面盛行西北风和东南风时SO2、NO2和CO浓度均高于其他风向时的浓度；盛行西风到南风之间的风向时，SO2、NO2和CO浓度最小.O3浓度随盛行风向的变化则与上述3种污染物不同(见图8d)，静风时O3浓度最低，当地面盛行西风到西南风时，O3浓度达到最高值，是静风时期O3浓度的2.3倍；O3浓度次高值出现在地面盛行东风到东北风时.由图8e和8f可以看出，2种颗粒物浓度均在静风时期达到最高值.PM10随盛行风向的不同浓度差异较大，当地面吹西北向和东南向风时，PM10浓度远大于地面吹东北和西南向时的浓度，其中地面吹西西北风时PM10浓度达到次高值，而地面吹东东北风时PM10浓度为最低值.PM2.5浓度随盛行风向的不同浓度差异比PM10小，但依然存在地面吹西北向和东南向风时浓度高于其他风向时浓度的规律.3.2.1中指出春季时光照条件好温度高O3浓度高，而曲靖主城区主要是春季盛行西南风，这可能是造成地面盛行西风到西南风时，O3浓度达到最高值的原因.SO2、NO2、CO、PM10和PM2.5浓度随盛行风向的变化则可能与工业园区污染物的远距离输送有关.曲靖主城区西北部是西城工业园区(位置见图1)，是云南省确定的40个重点工业园区之一，已建成投产了驰宏锌锗和双友钢铁等20多家企业厂区，该工业园区污染物远距离输送可能是造成盛行西北风时SO2、NO2、CO、PM10和PM2.5浓度较高的原因；而东南部是越州重化工工业园(位置见图1)，来自越州重化工工业园区的污染物远距离输送使得地面盛行东南向风时，SO2、NO2、CO、PM10和PM2.5浓度较高.

3.3.2 污染物浓度与降水的关系

表2为曲靖主城区降雨对6种污染物浓度的影响.降水日6种污染物浓度均低于非降水日的污染物浓度，降水对6种污染物有冲刷清除作用，但降水对各污染物的冲刷作用不同.其中降水对O3的清洁作用最为显著，降水日O3浓度较非降水日O3浓度下降近1/3，这是因为降水期间往往日照少气温低不利于O3光化学反应，加上雨水的冲刷作用，使得降水日O3浓度较非降水日下降显著.降水对CO和NO2浓度的冲刷清洁作用相对较弱.

表2 2014至2018年曲靖主城区非降雨日和降水日各类污染物浓度对比

3.3.3 污染物浓度与气温和相对湿度的关系

表3 2014至2018年曲靖主城区各类污染物浓度与日均温和相对湿度的Spearman秩相关系数

*表示通过α=0.05的显著性检验.

表3为曲靖主城区6种污染物浓度与气温和相对湿度的Spearman秩相关系数.由表3可以看出，曲靖主城区SO2浓度与温度的关系不显著，O3浓度与温度呈显著性正相关关系，温度越高O3浓度也越高，这与2.2.1分析的O3浓度冬季浓度较低而春夏季浓度较高的结论相一致.其余4种污染物浓度与温度呈显著性负相关关系，温度越高其浓度越低.相对湿度与O3、PM10和PM2.53种首要污染物浓度呈显著性负相关关系；与SO2、NO2和CO 3种非首要污染物浓度的关系不显著.

4 结 论

(1)2014至2018年，曲靖主城区空气质量优良率为97%～99.7%，轻度污染日数呈逐年减少趋势.曲靖主城区AQI具有季节性特征，表现为夏秋季节空气质量较好、冬春季节空气质量较差的特征.

(2)曲靖主城区最主要的首要污染物为PM10、PM2.5和O3，SO2未作为首要污染物出现.O3作为首要污染物出现日数最多，其次为 PM10和PM2.5.夏秋季节出现首要污染物的日数较少，冬春季节出现首要污染物的日数较多.

(3)曲靖属低纬高原季风气候，受地形特点、气候条件和人类活动等原因影响，主城区6种污染物浓度表现出不同的季节性变化特征和日变化特征.CO浓度随季节变化呈“U”型分布，冬季较高春夏季较低.O3浓度随季节的变化与CO相反，呈倒“U”型分布，春夏季较高秋冬季较低.PM10和PM2.5两种颗粒物浓度季节变化趋势一致，呈单峰单谷型，均是冬春季节较高夏秋季节较低.NO2浓度呈“W”型分布，冬春季较高夏季最低.SO2浓度随季节变化存在4峰4谷的特征，每个季节均出现1个峰值和1个谷值.

(4)CO、O3及SO2浓度日变化表现为明显的单峰单谷型.CO和SO2上午浓度高于下午浓度.O3的日变化特征恰与CO相反，上午浓度低于下午浓度.颗粒物(PM10和PM2.5)及NO2浓度日变化表现为双峰双谷型.

(5)风速与SO2、NO2、CO和PM2.5呈显著负相关关系，风速越大越有利于污染物的扩散.其中对NO2的扩散清除作用最显著，PM2.5的扩散清除作用最弱.风速与O3浓度呈正相关关系，风速越大O3浓度越大，风速对O3无扩散清除作用反而使其浓度增加的原因尚不明确，在今后的研究中需进一步分析.风速对PM10影响较复杂，当风速小于2 m/s时有利于PM10扩散，当风速超过2 m/s时反而导致PM10浓度增加，2 m/s是PM10浓度的扩散临界值.

(6)地面盛行不同风向对各污染物浓度分布的影响不同.当曲靖主城区地面为静风时，SO2、NO2、CO、PM10和PM2.5污染物浓度均达到最高值.地面盛行西北风和东南风时，这5种污染物浓度均高于其他风向时的浓度.O3浓度随盛行风向的变化则不同.静风时O3浓度为最低值，地面盛行西南风时，O3浓度达到最高值.

(7)降水对6种污染物有冲刷清除作用，其中，降水对O3清洁作用最显著，对CO和NO2浓度的冲刷清洁作用相对较弱.

(8)温度与NO2、CO、PM2.5和PM10浓度呈显著性负相关关系，与O3浓度呈显著性正相关关系，与SO2浓度关系不显著.相对湿度与O3、PM10和PM2.53种首要污染物浓度呈显著性负相关关系；与SO2、NO2和CO 3种非首要污染物浓度的关系不显著.